工业机械手在机械制造工艺中的发展及应用

蔡廷文张静

摘要：在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。

关键词：机械手；工艺；发展应用

1工业机械手的组成结构及应用

1.1机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之，机械手的运动离不开直线移动和转动二种，驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以电气、气动用得最多，占90％以上，液压、机械驱动用得较少。液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。一般采用4～6个大气压，个别达到8～10个大气压。电气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占90％以上。控制系统可以根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加以储存，然后再根据规定的程序，控制机械手工作。对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。

1.2在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，专用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。

2机械手的组成分类及驱动

2.1机械手的组成

一般来说，机械手主要有以下几部分组成：

手部（或称抓取机构）包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。

传送机构（或称臂部）包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用。

驱动部分它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压气压电力和机四种驱动形式。

控制部分它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等。

其它部分如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。

2.2机械手的分类

机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：

2.2.1.按使用范围分类：

（1）专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。

（2）通用机械手

指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型

2.2.2.按运动坐标型式分类：

（1）直角坐标式机械手

臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩（定为沿X方向的移动）、左右移动（定为沿Y方向的移动）和上下升降（定为沿Z方向的移动）。

（2）圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动（定为绕Z轴转动），亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；

（3）球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩（沿X方向移动）、上下摆动（定为绕Y轴摆动）和左右转动（仍定为绕Z轴转动）；

（4）多关节式机械手这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接（肘部）以及大臂和机体的连接（肩部）均为关节（铰链）式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。

2.2.3.按驱动方式分类：

（1）液压驱动机械手以压力油进行驱动；

（2）气压驱动机械手。以压缩空气进行驱动；

（3）电力驱动机械手。直接用电动机进行驱动；

（4）机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。

2.2.4按机械手的臂力大小分类：

（1）微型机械手臂力小于1㎏；

（2）小型机械手臂力为1－10㎏；

（3）中型机械手臂力为10－30㎏；

（4）大型机械手臂力大于30㎏。

3工业机械手的发展趋势

目前国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械数的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

总结

目前我国机械手的研发和应用还处在一个发展的阶段，跟美国日本等发达国家相比还有很大的差距，很多产品还需进口，特别是高灵活、高精度的机械手。要使我国机械工业更进一步在发展壮大，就必须提高其自动化程度和生产效率，将人手操作变为机械手操作。同时，国家应加大对机械手及机器人的研发投入，积极开发出拥有自主知识产权的产品，从根本上解决对国外产品的进口需求。

参考文献

[1]《机械设计手册3》机械工业出版社，徐灏主编.

[2]《工业机械手-机械结构上》上海科学技术出版社.